应用ZigBee技术的变电站周界安全监控系统

吕 剑，杨俊杰，魏春娟

（上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090）

随着电网自动化程度要求的不断提高，变电站已基本实现无人值守。无人值守变电站的实施提高了电网的经济运行水平，同时也给变电站带来了安全隐患，致使电力设备、电力线路的安全防盗无法有效地执行。因此，及时识别变电站周界是否有人闯入对保障电网安全具有重要意义。

目前，无人值守变电站周界防盗报警技术主要有高压电网技术、脉冲电子围栏技术和红外电子围栏防盗报警技术。上述各种报警系统多采用有线方式将现场设备采集到的报警信息传输至监控中心。远程通信方式有光纤、电力载波、有线电缆、公网等方式，其特点是传输可靠、抗干扰性强。然而，变电站占地面积比较大，结构复杂，这就给线路铺设、设备安装及维护等工作带来很大不便。随着无线通信技术的发展和无线设备的成熟，可使用基于ZigBee技术（紫蜂技术）的无线传感网络方案解决有线网络存在的问题［1］。

基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee技术具有自组织性、动态拓扑、功耗低、相对灵活等特点［2，3］，适用于不方便布线、低功耗等要求的场合，只需在变电站周界围墙上合理放置无线传感器节点即可监测变电站周界安全状况，省去了布线的环节，可以大量节约成本和精力。基于此，本文构建一种基于ZigBee技术的变电站周界安全防盗报警系统，并将先进的激光技术、GPRS无线通信技术［4］（general packet radio service，通用无线分组业务）、数据库技术融合在其中，实现无人值守变电站周界的安全监测与快速报警。

1 系统工作原理

基于ZigBee无线传感器网络的无人值守变电站周界安全监控系统的总体结构如图1所示。该系统由激光探照灯围栏防盗子系统和数据中心监控子系统两部分组成。激光围栏防盗子系统由激光围栏、ZigBee通信模块、报警单元组成；数据中心控制子系统由中心控制主机、服务器、ZigBee通信模块组成。

图1 整体结构图Fig.1 Structure of the whole system

本系统采用激光设栏，在变电站周界上安装一定数量嵌入了ZigBee模块的激光发射器和接收器，通过发射器发射出多道平行的不可见激光射线，与接收器形成一个光回路，从而组成一个环形激光围栏，即变电站周界警戒区域。当入侵者穿过警戒区域试图进入变电站时，会隔断激光射线回路，接收电路检测到异常情况，产生中断启动报警单元进行声光报警，并编码通过ZigBee无线传感器网络发送到监控中心，监控中心的控制主机接收报警信号，该信号通过串口在服务器上运行的安防信息管理软件指示准确的入侵方位。同时，系统在第一时间通过GSM网络相关管理人员发送手机报警短信，值班人员也可以通过手机短信控制中心控制主机，从而实现对无人值守变电站的实时监控。

2 硬件设计

该系统的硬件设计主要包括激光围栏的实现，ZigBee终端节点和协调器的安置，探照灯和高音喇叭组成的声光报警单元的设计以及监控中心的中心控制主机电路设计。下面就其中比较重要的部分分别进行详细介绍。

2.1 激光围栏防盗子系统

激光围栏防盗子系统位于监控现场，作为无线传感器网络的设备节点，构成了无线传感器网络的基础支持平台，设计时应该考虑可靠性、扩展性和灵活性和稳定性。传感器网络节点结构如图2所示，主要由信息报警模块、采集模块、微处理模块、无线通信模块、电源模块5个部分组成。该系统的无线传感器网络节点集成了信息采集、数据处理和无线通信等功能，能够迅速、可靠地采集变电站非法入侵的信号，启动报警单元，并通过无线传感器网络传至监控中心。此外，ZigBee射频模块还可以接收来自值班室控制主机发出的控制命令，执行相应的功能。

图2 传感器网络节点结构Fig.2 Node structure of the wireless sensor network

2.1.1 信息采集模块

该模块的功能是采集入侵信息，由于激光光束发散角小，能耗低，方向性好，光束集中，功率密度大，光线穿透力强，不受太阳光、灯光、雨、雾、雪、沙尘、电磁、雷电、电波等干扰，所以采用激光作为传输媒体进行信息采集［5］。即在变电站围墙上安装一定数量的竖杆状的激光器和激光接收终端，组成一个环形激光围栏以实现对入侵者的识别。围栏的每个单元相距10～100m（具体长度由实际安装位置确定），沿竖杆方向包含4对平行的激光器和激光接收器（相距20cm），即每个单元包含4束平行的激光。激光束形成警戒区域示意图如图3所示。

图3 激光束形成警戒区域Fig.3 Laser alerting zone

每个单元由激光器、激光接收器和检测电路组成。激光器和激光接收器均封装在管壳内，当输入端加电信号时，激光器发出经脉冲调制的、占空比很高的激光束，接收器接收后由检测电路完成光电转换同时加以某种形式的放大和控制输出稳定的方波信号。当有人越过警戒线时，光路被阻断，接收器输出高电平。因此，通过检测接收器的输出信号变化便可以判断是否有报警信号。这种设计可以实现电气隔离，提高检测电路的抗干扰能力和传输效率。同时为了排除小动物经过时导致系统误报警现象的发生，检测电路对四路信号进行采集、处理，当有两束或者以上光线被阻挡时，系统才启动报警单元，从而有效地排除了干扰，减少了误报率。

2.1.2 ZigBee无线通信模块设计

通信模块采用MaxStream公司推出的兼容ZigBee／802.15.4协议的 RF模块 XBee／XBee－PRO。该模块设计满足IEEE 802.15.4标准，工作频率2.4GHz。XBee模块的基本性能参数如下：发送功率1mW，接收灵敏度－92dBm，室内传输距离30 m，室外传输距离100m，RF数据传输速率为250kb／s；在3.3V电源下，发送电流45mA，接收电流50mA；在网络性能方面，具有DSSS（直接序列扩频）功能，可组成对等网、点对点及点对多点网络，12个软件可选的直接序列信道，每个信道具有65000个可用网络地址等［6～8］。XBee－PRO 模块是XBee模块的加强型产品，其传输距离大于XBee，同时发送功率、工作电流等也比XBee大，但是二者在引脚、操作模式等方面完全兼容。通信模块采用51单片机控制，XBee／XBee－PRO模块在该部分与单片机接口电路如图4所示，RXD、TXD代表单片机的引脚。

图4 XBee模块与单片机接口电路Fig.4 Interface circuit between single－chip microcomputer and XBee

ZigBee有2种物理设备包括具有完全功能的设备（FFD）、仅具有简单功能的设备（RFD），FFD可以作为ZigBee网络的协调者、路由、设备终端，而RFD只适用于作设备终端。ZigBee可以组成三种网络拓扑结构：星形结构（Star）、簇状结构（Cluster tree）和网状结构（Mesh）。

基于星型或树型的“点到点”或“点到多点”单跳无线技术相对简单、建网容易，但是表现出通信距离短和中心节点负荷过重等固有的局限性。无线Mesh网络也称为“多跳（multi－hop）”网络，该架构可以实现自组织的多跳路由，使系统的灵活性和健壮性加强。所以该系统采用Mesh拓扑结构构建网络［9］，如图5所示。终端节点主要负责激光围栏防盗子系统各测试点的信息采集和传送；路由节点不仅具有路由的功能，还能够发送、接收信息，并将信息转播给它的邻居；中心节点负责建立整个网状（Mesh）网络，网络建立成功后，作为路由节点使用，接收各个节点传来的数据并通过串口传送至服务器端，同时在需要时，负责向各个节点发送命令。

图5 网状（Mesh）网络拓扑Fig.5 Mesh－Topology network

Mesh网络具备自组织、自愈功能，其路由可自动建立和维护，具有更好的故障恢复性；而且，Mesh网络架构的多跳路由方式减轻了中心节点的负荷，并且本系统中设置了一个备用中心节点，一旦系统中心节点出现不可自愈故障，则系统进行重新上电初始化后启用备用中心节点进行网络重建，从而保证通信的可靠性。

2.2 数据中心监控子系统设计

该部分位于监控中心的中央控制室，负责接收、处理现场各个激光围栏防盗子系统发来的报警信息、状态信息等，并将处理后的报警信息、监控指令分别发往各个现场子系统。主要由ZigBee通信单元（协调器）、中心控制主机和服务器组成。

ZigBee协调器即中心节点，是ZigBee网络与现场采集子系统的接口，组建整个无线网络，作为系统的核心负责整个网络的管理以及数据的转发。中心控制主机由单片机、电源模块、信号处理模块、ZigBee通信模块、GPRS通信模块等组成，实现对ZigBee通信模块的控制，及时唤醒中心节点以接收现场子节点发来的信号，并对数据进行分析处理，从而发出控制命令。服务器上运行的安防信息管理软件可以在实时显示各个节点的工作状态，并在系统实时数据库存储记录报警信息，供随时查询显示。一旦检测到入侵信号，数据中心监控子系统的ZigBee通信单元会立即被唤醒接收报警信息，系统一方面通过服务器串口接收入侵信息，在服务器上运行的安防信息管理软件的人机界面将显示具体入侵地点和方位，另一方面通过GSM网络［10］，将报警信号以短信形式通知值班人员。

单片机AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。与通讯相关的三个部分为：ZigBee无线模块、GPRS通讯模块以及PC机通讯模块，它们都需要通过串口与单片机AT89S52相连。但是AT89S52只有一个串口，本系统中利用成都国腾微电子有限公司的串口扩展芯片GM8123来实现串口扩展功能［11］。GM8123把主控制器的一个串口扩成3个，并能通过外部引脚控制串口扩展模式：单通道工作模式和多通道工作模式，即可以指定其中的一个子串口和母串口以相同的波特率单一的工作，也可以让所有子串口在母串口波特率基础上分频同时工作。其电路框图如图6所示。

图6 串口扩展框图Fig.6 Serial extended diagram

3 系统软件实现

系统软件主要由三部分组成以实现三方面基本功能：

（1）网络协调器软件设计：实现协调器、路由器和终端节点的组网和通讯；

（2）采集节点软件设计：实现终端节点采集现场子系统的状态信息和发送报警信息；

（3）安防信息管理软件开发：协调器接收路由器和终端节点发来的状态信息和报警信息，通过串口传给服务器后，在服务器的显示器上显示具体入侵位置，并进行短信告警。

3.1 网络协调器软件设计

基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee无线通信采用免费的2.4GHz信道，将多个节点信息集中于无线个人区域网的中心协调器，通过协调器节点远程传输所有监测数据。XBee－PRO有空模式、接收模式、发送模式、睡眠模式和命令模式等5种操作模式。在不需要通信的时候，节点可以进入很低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态的千分之一。ZigBee从休眠状态转换到活跃状态一般只需十几毫秒，而且由于使用直接扩频而不是跳频技术，重新接入信道的时间也很快［12］建立。协调器首先进行信道扫描，采用一个其他网络没有使用的空闲信道，同时规定网络拓扑参数，如最大的RFD数、路由算法等。协调器起动后，其他节点加入网络时，只要将自己的信道设置成与现有协调器使用的信道相同，并提供正确的认证信息，即可请求加入网络。网络建成后，协调器处于休眠状态，如果有入侵信息，则被唤醒开始数据的收发工作及各种操作指令的执行，程序流程如图7所示。

图7 协调器软件流程Fig.7 Software flow of coordinator

3.2 采集节点软件设计

节点采用串口通信模式，利用中断完成数据的接收和发送。当有人入侵时，激光接收终端检测到电平信号发生变化，节点自动苏醒，与协调器节点进行通信并进行入侵信息的上报；否则处于休眠状态，进行低功率信道监测，拒绝接受非法的连接访问请求，以降低每个ZigBee传感器节点的功耗。同时也能降低接入协调器节点时消息碰撞的概率，极大地增加了传感器网络容量。

按照硬件电路设计，系统软件编程的基本思路是：先对串口、ZigBee模块初始化，然后无线模块进入休眠工作模式，等待接收协调器发来的命令并执行，出现警情时候，立即被唤醒接收报警信息并发送。发送和接收程序流程图如图8。

3.3 安防信息管理软件开发

安防信息管理软件可以实现报警信息的可视化，进行各种参数设置和查询等功能，该软件是以Visual C＋＋6.0为开发平台，SQL Server为后端数据库开发的。在VC＋＋中进行数据库操作，如引入ADO类，添加打开和关闭数据库连接的函数等，从而实现了对数据库的访问、修改等操作。图9是安防信息管理软件的主界面，所实现的功能如下：

（1）菜单操作：主菜单中有“用户管理”、“参数设置”、“查询”、“帮助”四项，每项下面分别设有下拉子菜单。主菜单对应主模块，子菜单对应子模块。分别实现增加、删除、修改用户信息，用户权限设置，查询报警记录、用户名及帮助功能。

图8 节点软件流程Fig.8 Software flow of the node

（2）报警方位显示：获得实时报警信息，对入侵位置进行声音和动画的提示。按照实际要安装该系统的变电站形状，绘制变电站拓扑图，用来实时显示N对激光围栏的工作状态，一旦某段激光回路被阻断，该段线路会不停闪烁并伴有蜂鸣声，值班人员可以立即确定入侵位置，以便采取措施。

（3）报警装置控制：清除屏幕闪烁的报警线路，控制探照灯开关。

（4）短信收发：实现短信的收发功能，一旦有警情出现，系统自动向相关用户发送信息告警。

图9 变电站安防信息管理软件Fig.9 Security information management software of substation

利用菜单和窗口方式将程序的功能全部显示在屏幕上，易于操作，一目了然。

4 实验结果

选取湖南省张家界某变电站作为实验地点进行实验，以验证该系统在强电磁干扰环境下的工作可靠性和稳定性。

在该变电站周界分别安装了18对激光围栏作为测试节点，如上图9所示。根据该变电站的形状，在变电站周界围墙上分别配置安装了4对相距10 m，4对相距30m，10对相距60m和2对相距100 m的激光围栏，在监控中心的四周放置了4个路由节点，组成一个小型Mesh网络。人为不定时越过激光围栏时，启动声光报警的同时，在显示器上显示具体入侵位置，同时，GPRS模块将报警信息发送到值班人员手机。测试系统性能如下。

图10 误码率测试Fig.10 Bit error rate testing

（1）通信系统抗干扰能力强、可靠性高；本系统所构建的无线传感器网络应用于具有强电磁干扰的变电站，为了测试强电磁干扰对本系统通信性能的影响，实验采用ZigBee模块提供的配置软件X－CTU对两个相距100m的终端节点通信误码性能进行测试，实验测试结果如图10所示。测试结果表明：在连续24小时内，通信系统未出现误码现象，因此本系统所构建的无线传感器网络具有很强的抗干扰能力。

（2）激光围栏防盗子系统误报警率低；本系统在张家界某变电站连续试运行1个月内，历经大雨、大雾、强太阳光照射等各种恶劣天气考验，从未出现误报现象。

5 结语

利用ZigBee低功耗、灵活可靠、易于布置、自组织性等特征，本文将ZigBee无线传感器网络技术应用于无人值守变电站周界安全监控系统，完成了一种Mesh无线传感器网络ZigBee设备通信平台的软硬件设计。节点通信采用ZigBee无线技术规范，克服了有线技术的缺点，具有良好的通用性和扩展性。通过服务器上运行的安防信息管理软件，可以实现对变电站周界全方位的安全监测与防护。同时该系统具有多种报警方式，能够通过GPRS网络可靠地与值班人员进行通信，提高了系统的安全性与可靠性。

总体来说，该系统在强电磁干扰下，工作稳定可靠。该Mesh网络的各个节点在有效通信范围内具有较好的稳定性和较高的通信效率，可以满足无人值守变电站对无线通信网络传输及组网要求。随着技术的进一步成熟和需求的增长，ZigBee在变电站综合自动化系统中会有更为广阔的应用前景。

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